stringtranslate.com

Железобетон

Железобетон , также называемый железобетоном , представляет собой композитный материал , в котором относительно низкая прочность на растяжение и пластичность бетона компенсируются включением арматуры, имеющей более высокую прочность на растяжение или пластичность. Армирование обычно, хотя и не обязательно, представляет собой стальные арматурные стержни (известные как арматура ) и обычно пассивно внедряется в бетон до того, как бетон затвердеет. Однако пост-напряжение также используется как метод армирования бетона. С точки зрения объема, используемого ежегодно, это один из самых распространенных инженерных материалов. [1] [2] С точки зрения коррозионной инженерии , при правильном проектировании щелочность бетона защищает стальную арматуру от коррозии . [3]

Описание

Схемы армирования, как правило, разрабатываются для сопротивления растягивающим напряжениям в определенных областях бетона, которые могут вызвать неприемлемое растрескивание и/или разрушение конструкции. Современный армированный бетон может содержать различные армирующие материалы из стали, полимеров или альтернативных композитных материалов в сочетании с арматурой или без нее. Армированный бетон также может быть постоянно напряжен (бетон при сжатии, арматура при растяжении), чтобы улучшить поведение конечной конструкции под рабочими нагрузками. В Соединенных Штатах наиболее распространенными методами этого являются предварительное натяжение и последующее натяжение .

Для получения прочной, пластичной и долговечной конструкции арматура должна обладать как минимум следующими свойствами:

История

Новая форма павильона Philips, построенного в Брюсселе для Expo 58, была достигнута с помощью железобетона.

Франсуа Куанье использовал железобетон в качестве метода возведения строительных конструкций. [4] В 1853 году Куанье построил первую конструкцию из железобетона — четырехэтажный дом по адресу 72 rue Charles Michels в пригороде Парижа. [4] Описания Куанье армирования бетона показывают, что он делал это не для придания прочности бетону, а для удержания стен в монолитной конструкции от опрокидывания. [5] Здание Пиппена в Бруклине, построенное в 1872–1873 годах, является свидетельством его метода.

В 1854 году английский строитель Уильям Б. Уилкинсон укрепил бетонную крышу и полы в двухэтажном доме, который он строил. Его расположение арматуры показало, что, в отличие от его предшественников, он знал о растягивающих напряжениях. [6] [7] [ 8] Между 1869 и 1870 годами Генри Итон спроектировал, а господа У. и Т. Филлипс из Лондона построили кованый железный мост Хомерсфилд с пролетом 50 футов (15,25 метра) через реку Уэйвни, между английскими графствами Норфолк и Саффолк. [9]

В 1877 году Таддеус Хайятт опубликовал отчет под названием « Отчет о некоторых экспериментах с портландцементным бетоном в сочетании с железом в качестве строительного материала, с ссылкой на экономию металла в строительстве и на безопасность от пожара при изготовлении крыш, полов и пешеходных поверхностей» [10] , в котором он сообщил о своих экспериментах по поведению железобетона. Его работа сыграла важную роль в развитии бетонного строительства как проверенной и изученной науки. Без работы Хайятта, возможно, для развития технологии потребовались бы более опасные методы проб и ошибок. [5] [11]

Жозеф Монье , французский садовник 19 века, был пионером в разработке структурного, сборного и армированного бетона, будучи неудовлетворенным существующими материалами, доступными для изготовления прочных цветочных горшков. [12] Он получил патент на армирование бетонных цветочных горшков путем смешивания проволочной сетки и раствора. В 1877 году Монье получил еще один патент на более продвинутую технику армирования бетонных колонн и балок с использованием железных прутьев, размещенных в виде сетки. Хотя Монье, несомненно, знал, что армирование бетона улучшит его внутреннюю связность, неясно, знал ли он вообще, насколько прочность бетона на разрыв улучшается за счет армирования. [13]

До 1870-х годов использование бетона в строительстве, хотя и зародилось еще во времена Римской империи и было вновь введено в эксплуатацию в начале 19 века, еще не было проверенной научной технологией.

Эрнест Л. Рэнсом , инженер английского происхождения, был одним из первых новаторов в области железобетонных технологий в конце 19 века. Используя знания о железобетоне, полученные за предыдущие 50 лет, Рэнсом улучшил почти все стили и методы ранних изобретателей железобетона. Ключевым нововведением Рэнсома было скручивание арматурного стального стержня, тем самым улучшая его сцепление с бетоном. [14] Получив все большую известность благодаря своим зданиям из бетона, Рэнсом смог построить два из первых железобетонных мостов в Северной Америке. [15] Один из его мостов все еще стоит на острове Шелтер в Ист-Энде Нью-Йорка. Одним из первых бетонных зданий, построенных в Соединенных Штатах, был частный дом, спроектированный Уильямом Уордом , завершенный в 1876 году. Дом был специально спроектирован таким образом, чтобы быть огнестойким.

GA Wayss был немецким инженером-строителем и пионером строительства из железа и стали. В 1879 году Wayss купил немецкие права на патенты Монье, а в 1884 году его фирма Wayss & Freytag впервые осуществила коммерческое использование железобетона. Вплоть до 1890-х годов Wayss и его фирма внесли большой вклад в развитие системы армирования Монье, утвердив ее как хорошо развитую научную технологию. [13]

Одним из первых небоскребов, построенных из железобетона, было 16-этажное здание Ингаллс в Цинциннати, построенное в 1904 году . [8]

Первым железобетонным зданием в Южной Калифорнии было здание Laughlin Annex в центре Лос-Анджелеса , построенное в 1905 году. [16] [17] В 1906 году, как сообщается, было выдано 16 разрешений на строительство железобетонных зданий в городе Лос-Анджелес, включая Temple Auditorium и 8-этажный отель Hayward. [18] [19]

В 1906 году частичное обрушение отеля Bixby в Лонг-Бич привело к гибели 10 рабочих во время строительства, когда подпорки были удалены преждевременно. Это событие побудило к проверке методов возведения бетона и инспекций зданий. Конструкция была построена из железобетонных рам с полыми ребристыми полами из глиняной плитки и стенами с заполнением из полой глиняной плитки. Эта практика была подвергнута серьезным сомнениям со стороны экспертов, и были даны рекомендации по строительству из «чистого» бетона с использованием железобетона для полов и стен, а также для рам. [20]

В апреле 1904 года Джулия Морган , американский архитектор и инженер, которая была пионером в эстетическом использовании железобетона, завершила свою первую конструкцию из железобетона, El Campanil, 72-футовую (22 м) колокольню в колледже Миллс , [21] которая расположена через залив от Сан-Франциско . Два года спустя El Campanil пережила землетрясение в Сан-Франциско 1906 года без каких-либо повреждений, [22] что помогло ей создать репутацию и начать свою плодотворную карьеру. [23] Землетрясение 1906 года также изменило первоначальное сопротивление общественности железобетону как строительному материалу, который критиковали за его предполагаемую скучность. В 1908 году Совет попечителей Сан-Франциско изменил строительные нормы города , чтобы разрешить более широкое использование железобетона. [24]

В 1906 году Национальная ассоциация потребителей цемента (NACU) опубликовала Стандарт № 1 [25] , а в 1910 году — Стандартные строительные правила по использованию железобетона . [26]

Использование в строительстве

Строящаяся арматура крыши Саграда Фамилия (2009 г.)
Статуя Христа-Искупителя в Рио-де-Жанейро, Бразилия. Она сделана из железобетона, облицованного мозаикой из тысяч треугольных плиток из мыльного камня . [27]

С использованием железобетонных элементов можно построить множество различных типов конструкций и компонентов конструкций, включая плиты , стены , балки , колонны , фундаменты , рамы и многое другое.

Железобетон можно разделить на сборный и монолитный .

Проектирование и внедрение наиболее эффективной системы пола является ключом к созданию оптимальных строительных конструкций. Небольшие изменения в конструкции системы пола могут оказать значительное влияние на материальные затраты, график строительства, предельную прочность, эксплуатационные расходы, уровень заполняемости и конечное использование здания.

Без армирования строительство современных конструкций из бетона было бы невозможно.

Железобетонные элементы

Когда железобетонные элементы используются в строительстве, эти железобетонные элементы демонстрируют основное поведение при воздействии внешних нагрузок . Железобетонные элементы могут подвергаться растяжению , сжатию , изгибу , сдвигу и/или кручению . [28]

Поведение

Материалы

Бетон представляет собой смесь грубых (каменная или кирпичная крошка) и мелких (обычно песок и/или щебень) заполнителей с пастой связующего материала (обычно портландцемента ) и воды. Когда цемент смешивается с небольшим количеством воды, он гидратируется , образуя микроскопические непрозрачные кристаллические решетки, инкапсулирующие и фиксирующие заполнитель в жесткой форме. [29] [30] Заполнители, используемые для изготовления бетона, не должны содержать вредных веществ, таких как органические примеси, ил, глина, лигнит и т. д. Типичные бетонные смеси обладают высокой устойчивостью к сжимающим напряжениям (около 4000 фунтов на квадратный дюйм (28 МПа)); однако любое заметное напряжение ( например, из-за изгиба ) сломает микроскопическую жесткую решетку, что приведет к растрескиванию и разделению бетона. По этой причине типичный неармированный бетон должен хорошо поддерживаться, чтобы предотвратить развитие напряжения.

Если материал с высокой прочностью на растяжение, такой как сталь , поместить в бетон, то композитный материал, железобетон, сопротивляется не только сжатию, но и изгибу и другим прямым растягивающим воздействиям. Композитный участок, где бетон сопротивляется сжатию, а арматура « арматура » сопротивляется растяжению, может быть изготовлен практически любой формы и размера для строительной отрасли.

Основные характеристики

Три физические характеристики придают железобетону особые свойства:

  1. Коэффициент теплового расширения бетона аналогичен коэффициенту теплового расширения стали, что исключает возникновение больших внутренних напряжений, возникающих из-за различий в тепловом расширении или сжатии.
  2. Когда цементное тесто в бетоне затвердевает, оно принимает форму деталей поверхности стали, позволяя эффективно передавать любое напряжение между различными материалами. Обычно стальные прутки делают шероховатыми или гофрированными, чтобы еще больше улучшить сцепление или когезию между бетоном и сталью.
  3. Щелочная химическая среда , обеспечиваемая щелочным резервом (KOH, NaOH) и портландитом ( гидроксидом кальция ), содержащимся в затвердевшем цементном тесте, вызывает образование пассивирующей пленки на поверхности стали, делая ее гораздо более устойчивой к коррозии, чем в нейтральных или кислых условиях. Когда цементное тесто подвергается воздействию воздуха, а метеорная вода реагирует с атмосферным CO2 , портландит и гидрат силиката кальция (CSH) затвердевшего цементного теста постепенно карбонизируются, а высокий pH постепенно снижается с 13,5–12,5 до 8,5, pH воды в равновесии с кальцитом ( карбонатом кальция ), и сталь больше не пассивируется.

Как правило, только чтобы дать представление о порядках величин, сталь защищена при pH выше ~11, но начинает корродировать ниже ~10 в зависимости от характеристик стали и местных физико-химических условий, когда бетон становится карбонизированным. Карбонизация бетона вместе с проникновением хлоридов являются одними из главных причин выхода из строя арматурных стержней в бетоне.

Относительная площадь поперечного сечения стали, необходимая для типичного железобетона, обычно довольно мала и варьируется от 1% для большинства балок и плит до 6% для некоторых колонн. Арматурные стержни обычно имеют круглое поперечное сечение и различаются по диаметру. Железобетонные конструкции иногда имеют такие приспособления, как вентилируемые пустотелые сердечники для контроля влажности и влажности.

Распределение прочностных характеристик бетона (несмотря на армирование) по сечению вертикальных железобетонных элементов неоднородно. [31]

Механизм совместного действия арматуры и бетона

Арматура в железобетонной конструкции, например, стальной стержень, должна подвергаться той же деформации или напряжению, что и окружающий бетон, чтобы предотвратить разрыв, скольжение или разделение двух материалов под нагрузкой. Поддержание составного действия требует передачи нагрузки между бетоном и сталью. Прямое напряжение передается от бетона к интерфейсу стержня, чтобы изменить растягивающее напряжение в арматурном стержне по его длине. Эта передача нагрузки достигается посредством связи (анкеровки) и идеализируется как непрерывное поле напряжений, которое развивается вблизи интерфейса сталь-бетон. Причины, по которым два различных материальных компонента бетон и сталь могут работать вместе, следующие: (1) Арматура может быть хорошо связана с бетоном, поэтому они могут совместно противостоять внешним нагрузкам и деформироваться. (2) Коэффициенты теплового расширения бетона и стали настолько близки (1,0 × 10 −5 до1,5 × 10 −5 для бетона и1,2 × 10−5 для стали), что можно предотвратить повреждение связи между двумя компонентами, вызванное термическим напряжением. (3) Бетон может защитить встроенную сталь от коррозии и размягчения, вызванного высокой температурой .

Анкеровка (сцепление) в бетоне: Коды спецификаций

Поскольку фактическое напряжение связи изменяется по длине стержня, закрепленного в зоне растяжения, текущие международные коды спецификаций используют концепцию длины развития, а не напряжения связи. Основным требованием для обеспечения безопасности от разрушения связи является обеспечение достаточного удлинения длины стержня за пределы точки, где сталь должна развивать свой предел текучести, и эта длина должна быть по крайней мере равна его длине развития. Однако, если фактическая доступная длина недостаточна для полного развития, должны быть предусмотрены специальные крепления, такие как зубцы или крюки или механические концевые пластины. Та же концепция применима к длине соединения внахлест [32], упомянутой в кодах, где соединения (перекрытие) предусмотрены между двумя соседними стержнями для поддержания требуемой непрерывности напряжения в зоне соединения.

Меры по защите от коррозии

В условиях влажного и холодного климата железобетон для дорог, мостов, парковочных сооружений и других сооружений, которые могут подвергаться воздействию соли для борьбы с обледенением, может выиграть от использования коррозионно-стойкой арматуры, такой как арматура без покрытия, с низким содержанием углерода/хрома (микрокомпозит), с эпоксидным покрытием, оцинкованная горячим способом или из нержавеющей стали . Хорошая конструкция и правильно подобранная бетонная смесь обеспечат дополнительную защиту для многих применений.

Непокрытая арматура с низким содержанием углерода/хрома выглядит похожей на стандартную арматуру из углеродистой стали из-за отсутствия покрытия; ее высокая коррозионная стойкость заложена в микроструктуре стали. Ее можно определить по уникальной маркировке завода ASTM на ее гладкой, темной угольной отделке. Арматуру с эпоксидным покрытием можно легко определить по светло-зеленому цвету ее эпоксидного покрытия. Горячеоцинкованная арматура может быть яркой или тускло-серой в зависимости от длительности воздействия, а нержавеющая арматура демонстрирует типичный белый металлический блеск, который легко отличить от арматурного стержня из углеродистой стали. Справочные спецификации стандартов ASTM A1035/A1035M Стандартная спецификация для деформированных и простых низкоуглеродистых хромированных стальных стержней для армирования бетона, A767 Стандартная спецификация для горячеоцинкованных арматурных стержней, A775 Стандартная спецификация для стальных арматурных стержней с эпоксидным покрытием и A955 Стандартная спецификация для деформированных и простых нержавеющих стержней для армирования бетона.

Другой, более дешевый способ защиты арматуры — покрытие ее фосфатом цинка . [33] Фосфат цинка медленно реагирует с катионами кальция и гидроксильными анионами, присутствующими в поровой воде цемента, и образует устойчивый слой гидроксиапатита .

Проникающие герметики обычно необходимо наносить через некоторое время после отверждения. Герметики включают краску, пенопласт, пленки и алюминиевую фольгу , войлок или тканевые маты, запечатанные смолой, и слои бентонитовой глины, иногда используемые для герметизации дорожного полотна.

Ингибиторы коррозии , такие как нитрит кальция [Ca(NO 2 ) 2 ], также можно добавлять в водную смесь перед заливкой бетона. Обычно для предотвращения коррозии арматуры требуется 1–2 мас. % [Ca(NO 2 ) 2 ] по отношению к весу цемента. Нитрит-анион является мягким окислителем , который окисляет растворимые и подвижные ионы железа (Fe 2+ ), присутствующие на поверхности корродирующей стали, и заставляет их осаждаться в виде нерастворимого гидроксида железа (Fe(OH) 3 ). Это вызывает пассивацию стали в местах анодного окисления. Нитрит является гораздо более активным ингибитором коррозии, чем нитрат , который является менее сильным окислителем двухвалентного железа.

Армирование и терминология балок

Две пересекающиеся балки, встроенные в плиту парковки, будут содержать как арматурную сталь, так и проводку, распределительные коробки и другие электрические компоненты, необходимые для установки верхнего освещения для гаражного уровня под ней.
Короткое видео установки последней балки на приподнятой дороге, части новой дороги около залива Кардифф , Уэльс.

Балка изгибается под действием изгибающего момента , что приводит к небольшой кривизне. На внешней поверхности (растягивающей поверхности) кривизны бетон испытывает растягивающее напряжение, а на внутренней поверхности (сжимающей поверхности) он испытывает сжимающее напряжение.

Однократно армированная балка — это балка, в которой бетонный элемент армирован только вблизи растягиваемой поверхности, а арматура, называемая натяжной сталью, рассчитана на сопротивление растяжению.

Двойная арматура — это сечение, в котором помимо растягивающей арматуры бетонный элемент также армирован вблизи сжимающей грани, чтобы помочь бетону противостоять сжатию и воспринимать напряжения. Последняя арматура называется компрессионной сталью. Когда зона сжатия бетона недостаточна для сопротивления сжимающему моменту (положительному моменту), необходимо предусмотреть дополнительное армирование, если архитектор ограничивает размеры сечения.

Недоармированная балка — это балка, в которой прочность на растяжение растягиваемой арматуры меньше, чем совокупная прочность на сжатие бетона и сжатой стали (недоармированная на растягиваемой поверхности). Когда элемент из армированного бетона подвергается возрастающему изгибающему моменту, растянутая сталь течет, в то время как бетон не достигает своего предельного состояния разрушения. Поскольку растянутая сталь течет и растягивается, «недоармированный» бетон также течет пластичным образом, демонстрируя большую деформацию и предупреждение перед своим окончательным разрушением. В этом случае предел текучести стали определяет конструкцию.

Переармированная балка — это балка, в которой прочность на растяжение натянутой стали больше, чем совокупная прочность на сжатие бетона и сжатой стали (переармирована на растянутой поверхности). Таким образом, балка из «переармированного бетона» выходит из строя из-за разрушения бетона в зоне сжатия и до того, как сталь в зоне растяжения выйдет из строя, что не дает никаких предупреждений перед разрушением, поскольку разрушение происходит мгновенно.

Балка со сбалансированным армированием — это балка, в которой как зоны сжатия, так и растяжения достигают текучести при одной и той же приложенной нагрузке на балку, и бетон будет разрушаться, а растягиваемая сталь будет давать текучесть одновременно. Однако этот критерий проектирования столь же рискован, как и чрезмерно армированный бетон, поскольку разрушение происходит внезапно, поскольку бетон разрушается в то же время, что и растягиваемая сталь, что дает очень мало предупреждений о разрушении при растяжении. [34]

Несущие элементы из сталежелезобетона обычно следует проектировать с недостаточным армированием, чтобы пользователи конструкции получали предупреждение о надвигающемся обрушении.

Характерная прочность — это прочность материала, при которой менее 5% образца проявляет меньшую прочность.

Проектная прочность или номинальная прочность — это прочность материала, включая коэффициент запаса прочности. Значение коэффициента запаса прочности обычно колеблется от 0,75 до 0,85 в Допустимом расчете напряжений .

Предельное состояние по пределу прочности — это теоретическая точка отказа с определенной вероятностью. Она указывается при факторизованных нагрузках и факторизованных сопротивлениях.

Железобетонные конструкции обычно проектируются в соответствии с правилами и нормами или рекомендациями кодекса, такого как ACI-318, CEB, Eurocode 2 или подобного. Методы WSD, USD или LRFD используются при проектировании железобетонных структурных элементов. Анализ и проектирование железобетонных элементов могут выполняться с использованием линейных или нелинейных подходов. При применении коэффициентов безопасности строительные нормы обычно предлагают линейные подходы, но в некоторых случаях нелинейные подходы. Чтобы увидеть примеры нелинейного численного моделирования и расчета, посетите ссылки: [35] [36]

Предварительно напряженный бетон

Предварительно напряженный бетон — это метод, который значительно увеличивает несущую способность бетонных балок. Арматурная сталь в нижней части балки, которая будет подвергаться растягивающим усилиям во время эксплуатации, находится в напряженном состоянии до того, как вокруг нее будет залит бетон. После того, как бетон затвердеет, напряжение на арматурной стали снимается, создавая встроенную сжимающую силу на бетон. Когда прикладываются нагрузки, арматурная сталь принимает на себя большее напряжение, и сжимающая сила в бетоне уменьшается, но не становится растягивающей силой. Поскольку бетон всегда находится под сжатием, он менее подвержен растрескиванию и разрушению. [37]

Распространенные виды разрушения железобетона

Отслоение бетона от потолка офисного помещения ( внутри ) в Сингапуре , возможно, из-за коррозии арматуры.

Железобетон может выйти из строя из-за недостаточной прочности, что приводит к механическому разрушению или из-за снижения его долговечности. Коррозия и циклы замораживания/оттаивания могут повредить плохо спроектированный или построенный железобетон. Когда арматура корродирует, продукты окисления ( ржавчина ) расширяются и имеют тенденцию к шелушению, растрескиванию бетона и отрыву арматуры от бетона. Типичные механизмы, приводящие к проблемам долговечности, обсуждаются ниже.

Механическая неисправность

Растрескивание бетонного сечения практически невозможно предотвратить; однако размер и местоположение трещин можно ограничить и контролировать с помощью соответствующей арматуры, контрольных швов, методологии отверждения и проектирования бетонной смеси. Растрескивание может позволить влаге проникнуть в арматуру и вызвать ее коррозию. Это отказ эксплуатационной пригодности в проектировании предельного состояния . Растрескивание обычно является результатом недостаточного количества арматуры или арматуры, расположенной на слишком большом расстоянии. Бетон трескается либо под избыточной нагрузкой, либо из-за внутренних эффектов, таких как ранняя термическая усадка во время отверждения.

Окончательное разрушение, приводящее к обрушению, может быть вызвано разрушением бетона, которое происходит, когда сжимающие напряжения превышают его прочность, пластической деформацией или разрушением арматуры, когда изгибающие или сдвигающие напряжения превышают прочность арматуры, или нарушением сцепления между бетоном и арматурой. [38]

Карбонизация

Растрескивание бетонной стены из-за коррозии и разбухания стальной арматуры. Ржавчина имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому она расширяется по мере своего образования, откалывая декоративную облицовку стены, а также повреждая структурный бетон. Отрыв материала от поверхности называется отколом .
Подробный вид скола, вероятно, вызванного слишком тонким слоем бетона между сталью и поверхностью, а также коррозией от внешнего воздействия.

Карбонизация, или нейтрализация, представляет собой химическую реакцию между углекислым газом в воздухе и гидроксидом кальция и гидратированным силикатом кальция в бетоне.

При проектировании бетонной конструкции обычно указывается защитный слой бетона для арматуры (глубина арматуры внутри объекта). Минимальный защитный слой бетона обычно регулируется проектными или строительными нормами . Если арматура расположена слишком близко к поверхности, может произойти раннее разрушение из-за коррозии. Глубину защитного слоя бетона можно измерить с помощью измерителя защитного слоя . Однако карбонизированный бетон сталкивается с проблемой долговечности только тогда, когда также имеется достаточно влаги и кислорода, чтобы вызвать электропотенциальную коррозию арматурной стали.

Один из методов проверки конструкции на карбонизацию — просверлить новое отверстие в поверхности и затем обработать поверхность среза раствором индикатора фенолфталеина . Этот раствор становится розовым при контакте со щелочным бетоном, что позволяет увидеть глубину карбонизации. Использование существующего отверстия недостаточно, поскольку открытая поверхность уже будет карбонизирована.

Хлориды

Хлориды могут способствовать коррозии встроенной арматуры , если присутствуют в достаточно высокой концентрации. Хлоридные анионы вызывают как локальную коррозию ( точечную коррозию ), так и общую коррозию стальной арматуры. По этой причине для смешивания бетона следует использовать только свежую сырую воду или питьевую воду, а также убедиться, что крупные и мелкие заполнители не содержат хлоридов, а не примесей, которые могут содержать хлориды.

Арматура для фундаментов и стен канализационной насосной станции.
Виадук Паулинс-Килл , Хайнсбург, Нью-Джерси, имеет высоту 115 футов (35 м) и длину 1100 футов (335 м) и был объявлен крупнейшим железобетонным сооружением в мире, когда он был завершен в 1910 году как часть проекта железнодорожной линии Lackawanna Cut-Off . Железная дорога Lackawanna была пионером в использовании железобетона.

Когда-то было обычным делом использовать хлорид кальция в качестве добавки для ускорения схватывания бетона. Также ошибочно считалось, что он предотвращает замерзание. Однако эта практика перестала быть популярной, как только стало известно о пагубном воздействии хлоридов. Ее следует избегать, когда это возможно.

Использование солей для размораживания на дорогах, используемых для понижения точки замерзания воды, вероятно, является одной из основных причин преждевременного выхода из строя армированных или предварительно напряженных бетонных мостовых настилов, дорог и парковок. Использование арматурных стержней с эпоксидным покрытием и применение катодной защиты в некоторой степени смягчило эту проблему. Также известно, что арматура из FRP (армированного полимера) менее восприимчива к хлоридам. Правильно разработанные бетонные смеси, которым дали возможность должным образом затвердеть, фактически невосприимчивы к воздействию размораживателей.

Другим важным источником ионов хлора является морская вода . Морская вода содержит по весу около 3,5% солей. Эти соли включают хлорид натрия , сульфат магния , сульфат кальция и бикарбонаты . В воде эти соли диссоциируют на свободные ионы (Na + , Mg 2+ , Cl − , SO2−
4, ХСО−
3) и мигрируют с водой в капилляры бетона. Ионы хлорида, составляющие около 50% этих ионов, особенно агрессивны как причина коррозии арматурных стержней из углеродистой стали.

В 1960-х и 1970-х годах магнезит , богатый хлоридами карбонатный минерал , также был относительно распространен в качестве материала для покрытия пола. Это делалось в основном как выравнивающий и звукопоглощающий слой. Однако теперь известно, что когда эти материалы вступают в контакт с влагой, они производят слабый раствор соляной кислоты из-за присутствия хлоридов в магнезите. С течением времени (обычно десятилетия) раствор вызывает коррозию встроенной арматуры . Это чаще всего встречалось во влажных зонах или зонах, неоднократно подвергавшихся воздействию влаги.

Реакция щелочного кремния

Это реакция аморфного кремнезема ( халцедон , кремнистый кремень , кремнистый известняк ), иногда присутствующего в заполнителях , с гидроксильными ионами (ОН− ) из раствора пор цемента. Плохо кристаллизованный кремнезем (SiO2 ) растворяется и диссоциирует при высоком pH (12,5–13,5) в щелочной воде. Растворимая диссоциированная кремниевая кислота реагирует в поровой воде с гидроксидом кальция ( портландитом ), присутствующим в цементном тесте, образуя расширяющийся гидрат силиката кальция (CSH). Реакция щелочи с кремнеземом (ASR) вызывает локальное набухание, ответственное за растягивающее напряжение и растрескивание . Условия, необходимые для реакции щелочного кремнезема, являются тройными: (1) заполнитель, содержащий щелоче-реактивный компонент (аморфный кремнезем), (2) достаточная доступность гидроксильных ионов (ОН− ) и (3) достаточная влажность, более 75% относительной влажности (RH) внутри бетона. [39] [40] Это явление иногда в народе называют « раком бетона ». Эта реакция происходит независимо от наличия арматуры; массивные бетонные конструкции, такие как плотины, могут быть затронуты.

Конверсия высокоглиноземистого цемента

Устойчивый к слабым кислотам и особенно сульфатам, этот цемент быстро затвердевает и имеет очень высокую долговечность и прочность. Он часто использовался после Второй мировой войны для изготовления сборных бетонных объектов. Однако он может терять прочность под воздействием тепла или времени (преобразование), особенно если он не был должным образом затвердевшим. После обрушения трех крыш, сделанных из предварительно напряженных бетонных балок с использованием высокоглиноземистого цемента, этот цемент был запрещен в Великобритании в 1976 году. Последующие расследования этого вопроса показали, что балки были изготовлены неправильно, но запрет остался. [41]

Сульфаты

Сульфаты (SO4 ) в почве или грунтовых водах при достаточной концентрации могут реагировать с портландцементом в бетоне, вызывая образование расширяющихся продуктов, например, эттрингита или таумасита , что может привести к раннему разрушению конструкции. Наиболее типичная атака этого типа происходит на бетонные плиты и фундаментные стены на уровнях, где сульфат-ион может увеличиваться в концентрации посредством попеременного смачивания и высыхания. По мере увеличения концентрации может начаться атака на портландцемент. Для заглубленных конструкций, таких как трубы, этот тип атаки встречается гораздо реже, особенно в восточной части Соединенных Штатов. Концентрация сульфат-иона увеличивается гораздо медленнее в почвенной массе и особенно зависит от начального количества сульфатов в естественной почве. Химический анализ почвенных скважин для проверки наличия сульфатов должен проводиться на этапе проектирования любого проекта, включающего бетон в контакте с естественной почвой. Если концентрации оказываются агрессивными, можно наносить различные защитные покрытия. Также в США в смеси может использоваться портландцемент ASTM C150 Type 5. Этот тип цемента разработан так, чтобы быть особенно устойчивым к сульфатной атаке.

Конструкция из стальной пластины

В конструкции из стальных пластин стрингеры соединяют параллельные стальные пластины. Сборки пластин изготавливаются вне площадки и свариваются на месте, образуя стальные стены, соединенные стрингерами. Стены становятся формой, в которую заливается бетон. Конструкция из стальных пластин ускоряет строительство железобетона, исключая трудоемкие ручные этапы на месте по связыванию арматуры и формованию опалубки. Этот метод обеспечивает превосходную прочность, поскольку сталь находится снаружи, где силы растяжения часто самые большие.

Фибробетон

Фиброармирование в основном используется в торкрет-бетоне , но может также использоваться в обычном бетоне. Фиброармированный обычный бетон в основном используется для наземных полов и тротуаров, но также может рассматриваться для широкого спектра строительных деталей (балки, столбы, фундаменты и т. д.), как отдельно, так и с арматурой, связанной вручную.

Бетон, армированный волокнами (обычно стальными, стеклянными , пластиковыми волокнами ) или целлюлозными полимерными волокнами, обходится дешевле, чем связанная вручную арматура. [ требуется ссылка ] Форма, размер и длина волокна важны. Тонкое и короткое волокно, например, короткое, похожее на волос стеклянное волокно, эффективно только в течение первых часов после заливки бетона (его функция — уменьшить трещинообразование, пока бетон застывает), но оно не увеличит прочность бетона на растяжение. Фибра обычного размера для европейского торкрет-бетона (диаметр 1 мм, длина 45 мм — сталь или пластик) увеличит прочность бетона на растяжение. Армирование волокнами чаще всего используется для дополнения или частичной замены первичной арматуры, а в некоторых случаях оно может быть спроектировано для полной замены арматуры. [42]

Сталь — самое прочное из доступных волокон, [ требуется ссылка ] и поставляется в разной длине (от 30 до 80 мм в Европе) и форме (концевые крючки). Стальные волокна можно использовать только на поверхностях, которые могут выдерживать или избегать коррозии и пятен ржавчины. В некоторых случаях поверхность из стального волокна облицовывается другими материалами.

Стекловолокно недорогое и устойчивое к коррозии, но не такое пластичное, как сталь. Недавно базальтовое волокно , давно доступное в Восточной Европе , стало доступно в США и Западной Европе. Базальтовое волокно прочнее и дешевле стекла, но исторически не выдерживало щелочной среды портландцемента достаточно хорошо, чтобы его можно было использовать в качестве прямого армирования. Новые материалы используют пластиковые связующие для изоляции базальтового волокна от цемента.

Волокна премиум-класса представляют собой армированные графитом пластиковые волокна, которые почти такие же прочные, как сталь, легче по весу и устойчивы к коррозии. [ требуется ссылка ] Некоторые эксперименты с углеродными нанотрубками дали многообещающие первые результаты , но этот материал все еще слишком дорог для любого здания. [ требуется ссылка ]

Нестальная арматура

Существует значительное совпадение между предметами неметаллической арматуры и армирования бетона волокнами. Введение неметаллической арматуры бетона произошло относительно недавно; она принимает две основные формы: неметаллические арматурные стержни и неметаллические (обычно также неметаллические) волокна, включенные в цементную матрицу. Например, растет интерес к бетону, армированному стекловолокном (GFRC) , и к различным применениям полимерных волокон, включенных в бетон. Хотя в настоящее время нет особых предположений, что такие материалы заменят металлическую арматуру, некоторые из них имеют большие преимущества в определенных применениях, и также есть новые применения, в которых металлическая арматура просто не является вариантом. Однако проектирование и применение неметаллической арматуры сопряжено с трудностями. Во-первых, бетон является сильнощелочной средой, в которой многие материалы, включая большинство видов стекла, имеют низкий срок службы . Кроме того, поведение таких армирующих материалов отличается от поведения металлов, например, с точки зрения прочности на сдвиг, ползучести и эластичности. [43] [44]

Пластик/полимер, армированный волокном (FRP), и пластик, армированный стеклом (GRP), состоят из волокон полимера , стекла, углерода, арамида или других полимеров или высокопрочных волокон, установленных в матрице смолы для формирования арматурного стержня, сетки или волокна. Эти арматурные стержни устанавливаются почти так же, как и стальные арматурные стержни. Стоимость выше, но при соответствующем применении конструкции имеют преимущества, в частности, резкое снижение проблем, связанных с коррозией , либо из-за внутренней щелочности бетона, либо из-за внешних едких жидкостей, которые могут проникать в бетон. Эти конструкции могут быть значительно легче и обычно имеют более длительный срок службы . Стоимость этих материалов резко снизилась с момента их широкого внедрения в аэрокосмической промышленности и в военных целях.

В частности, стержни FRP полезны для конструкций, где присутствие стали неприемлемо. Например, аппараты МРТ имеют огромные магниты и, соответственно, требуют немагнитных зданий. Опять же, для пунктов взимания платы , которые считывают радиометки, нужен армированный бетон, прозрачный для радиоволн . Кроме того, когда проектный срок службы бетонной конструкции важнее ее первоначальных затрат, не стальная арматура часто имеет свои преимущества, когда коррозия арматурной стали является основной причиной отказа. В таких ситуациях коррозионно-стойкая арматура может существенно продлить срок службы конструкции, например, в приливной зоне . Стержни FRP также могут быть полезны в ситуациях, когда существует вероятность того, что бетонная конструкция может быть подвергнута риску в будущем, например, края балконов при замене балюстрад и полы в ванных комнатах в многоэтажном строительстве, где срок службы конструкции пола, вероятно, во много раз превышает срок службы гидроизоляционной строительной мембраны.

Пластиковая арматура часто прочнее или, по крайней мере, имеет лучшее соотношение прочности к весу, чем арматурная сталь. Кроме того, поскольку она устойчива к коррозии, ей не требуется защитное бетонное покрытие такой толщины, как стальной арматуре (обычно от 30 до 50 мм или более). Поэтому конструкции, армированные FRP, могут быть легче и служить дольше. Соответственно, для некоторых применений стоимость за весь срок службы будет конкурентоспособной по цене с бетоном, армированным сталью.

Свойства материала стержней FRP или GRP заметно отличаются от свойств стали, поэтому существуют различия в конструктивных решениях. Стержни FRP или GRP имеют относительно более высокую прочность на растяжение, но более низкую жесткость, поэтому прогибы, вероятно, будут выше, чем у эквивалентных стальных армированных элементов. Конструкции с внутренней арматурой FRP, как правило, имеют упругую деформируемость, сопоставимую с пластической деформируемостью (пластичностью) стальных армированных конструкций. Разрушение в любом случае с большей вероятностью произойдет из-за сжатия бетона, чем из-за разрыва арматуры. Прогиб всегда является основным конструктивным соображением для железобетона. Пределы прогиба устанавливаются для обеспечения контроля ширины трещин в сталежелезобетоне, чтобы предотвратить попадание воды, воздуха или других агрессивных веществ в сталь и возникновение коррозии. Для бетона, армированного FRP, эстетика и, возможно, водонепроницаемость будут ограничивающими критериями для контроля ширины трещин. Стержни FRP также имеют относительно более низкую прочность на сжатие, чем стальная арматура, и, соответственно, требуют других подходов к проектированию для железобетонных колонн .

Одним из недостатков использования армирования FRP является его ограниченная огнестойкость. Там, где пожарная безопасность является фактором, конструкции, использующие FRP, должны сохранять свою прочность и фиксацию сил при температурах, которые можно ожидать в случае пожара. Для целей огнезащиты необходима достаточная толщина цементобетонного покрытия или защитной облицовки. Было показано, что добавление 1 кг/м 3 полипропиленовых волокон в бетон снижает растрескивание во время имитируемого пожара. [45] (Считается, что улучшение связано с образованием путей из основной массы бетона, позволяющих рассеивать давление пара. [45] )

Другая проблема заключается в эффективности армирования сдвига. Скобы из FRP- арматуры , сформированные путем изгиба до затвердевания, обычно работают относительно плохо по сравнению со стальными хомутами или конструкциями с прямыми волокнами. При деформации зона между прямыми и изогнутыми областями подвергается сильным изгибающим, сдвиговым и продольным напряжениям. Для решения таких проблем необходимы специальные методы проектирования.

Растет интерес к применению внешнего армирования существующих конструкций с использованием современных материалов, таких как композитная (стекловолоконная, базальтовая, углеродная) арматура, которая может придать исключительную прочность. Во всем мире существует ряд марок композитной арматуры, признанных в разных странах, таких как Aslan, DACOT, V-rod и ComBar. Количество проектов с использованием композитной арматуры растет с каждым днем ​​по всему миру, в странах от США, России и Южной Кореи до Германии.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "16 материалов, которые должен знать каждый архитектор (и где о них узнать)". ArchDaily . 19 декабря 2016 г. Архивировано из оригинала 9 июля 2021 г. Получено 9 июля 2021 г.
  2. ^ Сара (22 марта 2017 г.). «Когда следует использовать железобетон?». EKA Concrete | Прямой поставщик готовых смесей и бетонных смесей для строительства . Получено 9 июля 2021 г.
  3. ^ Конструкционные материалы. Джордж Вайдман, П. Р. Льюис, Ник Рид, Открытый университет. Кафедра материалов. Милтон-Кинс, Великобритания: Кафедра материалов, Открытый университет. 1990. стр. 360. ISBN 0-408-04658-9. OCLC  20693897.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  4. ^ ab "Строительство зданий: изобретение железобетона" . Encyclopedia Britannica . Архивировано из оригинала 28 сентября 2018 г. . Получено 27 сентября 2018 г. .
  5. ^ ab Condit, Carl W. (январь 1968). «Первый железобетонный небоскреб: здание Ingalls в Цинциннати и его место в истории строительства». Технология и культура . 9 (1): 1–33. doi :10.2307/3102041. JSTOR  3102041. S2CID  113019875.
  6. ^ Ричард В. С. (1995). "История бетона" (PDF) . Группа Абердина. Архивировано из оригинала (PDF) 28 мая 2015 года . Получено 25 апреля 2015 года .
  7. ^ W. Morgan (1995). «Железобетон». Элементы структуры . Архивировано из оригинала 12 октября 2018 г. Получено 25 апреля 2015 г. – через веб-сайт Джона Ф. Клейдона.
  8. ^ ab Department of Civil Engineering (2015). "История строительства бетонных зданий". CIVL 1101 – История бетона . Университет Мемфиса. Архивировано из оригинала 27 февраля 2017 г. Получено 25 апреля 2015 г.
  9. ^ Историческая Англия . "HOMERSFIELD BRIDGE (1262142)". Список национального наследия Англии . Получено 26 марта 2014 г.
  10. ^ Хайатт, Таддеус (1877). Отчет о некоторых экспериментах с портландцементом и бетоном в сочетании с железом: как строительным материалом, с учетом экономии металла в строительстве и для обеспечения пожарной безопасности при изготовлении крыш, полов и пешеходных поверхностей. Частное распространение, в издательстве Chiswick Press.
  11. ^ Коллинз, Питер (1920–1981). Бетон: Видение новой архитектуры . McGill-Queen's University Press. С. 58–60. ISBN 0773525645.
  12. ^ Дэй, Лэнс (2003). Биографический словарь истории технологий . Routledge. стр. 284. ISBN 0-203-02829-5.
  13. ^ ab Mörsch, Emil (1909). Бетонно-стальные конструкции: (Der Eisenbetonbau) . The Engineering News Publishing Company. С. 204–210.
  14. ↑ Mars, Roman (7 июня 2013 г.). «Эпизод 81: Арматура и мост через озеро Элворд». 99% Невидимо. Архивировано из оригинала 8 августа 2014 г. Получено 6 августа 2014 г.
  15. ^ Коллинз, Питер (1920–1981). Бетон: Видение новой архитектуры . McGill-Queen's University Press. С. 61–64. ISBN 0773525645.
  16. ^ Макгроарти, Джон Стивен (1921). Лос-Анджелес от гор до моря. Том 2. Лос-Анджелес, Калифорния: Американское историческое общество. стр. 176. Архивировано из оригинала 9 августа 2016 г. Получено 29 ноября 2017 г.
  17. ↑ Ежегодный отчет городского аудитора, город Лос-Анджелес, Калифорния за год, заканчивающийся 30 июня . Лос-Анджелес, Калифорния: Los Angeles City Auditor. 1905. С. 71–73.
  18. ^ Уильямс, Д. (февраль 1907 г.). «Что делают строители». Плотницкое дело и строительство : 66. Архивировано из оригинала 1 сентября 2020 г. Получено 29 ноября 2017 г.
  19. ^ WPH (19 апреля 1906 г.). «Железобетонные здания в Лос-Анджелесе, Калифорния». Письма в редакцию. Engineering News-Record . 55 : 449. Архивировано из оригинала 19 сентября 2020 г. Получено 29 ноября 2017 г.
  20. ^ Austin, JC; Neher, OH; Hicks, LA; Whittlesey, CF; Leonard, JB (ноябрь 1906 г.). «Частичное обрушение отеля Bixby в Лонг-Бич». Архитектор и инженер Калифорнии . Том VII, № 1. стр. 44–48. Архивировано из оригинала 20 сентября 2020 г. . Получено 29 мая 2018 г. .
  21. ^ "El Campanil, Mills College: Julia Morgan 1903-1904". Архивировано из оригинала 30 декабря 2018 г. Получено 18 апреля 2019 г.
  22. ↑ Callen, Will (4 февраля 2019 г.). «Колокольня Миллс, спроектированная Джулией Морган, отсчитывает 115-ю годовщину». hoodline.com . Получено 18 апреля 2019 г. .
  23. ^ Литтман, Джули (7 марта 2018 г.). «Наследие архитектора из залива Джулии Морган — это не просто замок Херст». busnow.com. Архивировано из оригинала 20 апреля 2019 г. Получено 18 апреля 2019 г.
  24. ^ Олсен, Эрик (1 мая 2020 г.). «Как одно здание пережило землетрясение в Сан-Франциско и изменило мир». California Science Weekly. Архивировано из оригинала 2 июля 2020 г. Получено 1 июля 2020 г.
  25. ^ Стандартные спецификации для портландцемента Американского общества по испытанию материалов, стандарт № 1. Филадельфия, Пенсильвания: Национальная ассоциация потребителей цемента. 1906.
  26. ^ Стандартные строительные правила по использованию железобетона . Филадельфия, Пенсильвания: Национальная ассоциация потребителей цемента. 1910.
  27. ^ Мюррей, Лоррейн. «Христос Искупитель (последнее обновление 13 января 2014 г.)». Encyclopaedia Britannica . Получено 5 ноября 2022 г. .
  28. ^ Бунгейл С. Таранат (2009). Проектирование высотных зданий из железобетона . CRC Press. стр. 7. ISBN 9781439804810.
  29. ^ Принципы и практика материалов. Чарльз Ньюи, Грэм Уивер, Открытый университет. Кафедра материалов. Милтон-Кейнс, Англия: Кафедра материалов, Открытый университет. 1990. стр. 61. ISBN 0-408-02730-4. OCLC  19553645.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  30. ^ Конструкционные материалы. Джордж Вайдман, П. Р. Льюис, Ник Рид, Открытый университет. Кафедра материалов. Милтон-Кинс, Великобритания: Кафедра материалов, Открытый университет. 1990. стр. 357. ISBN 0-408-04658-9. OCLC  20693897.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  31. ^ "Неоднородность бетона вертикальных монолитных элементов в зданиях каркасного типа". Архивировано 15.01.2021 на Wayback Machine
  32. ^ Megalooikonomou, Konstantinos G. (31 марта 2024 г.). «Монотонный и циклический сейсмический анализ старых железобетонных колонн с короткими нахлесточными соединениями». Строительные материалы . 4 (2): 329–341. doi : 10.3390/constrmater4020018 .
  33. ^ Simescu, Florica; Idrissi, Hassane (19 декабря 2008 г.). "Влияние цинк-фосфатного химического конверсионного покрытия на коррозионное поведение мягкой стали в щелочной среде: защита арматуры в железобетоне". Наука и технология современных материалов . 9 (4). Национальный институт материаловедения: 045009. Bibcode : 2008STAdM...9d5009S. doi : 10.1088/1468-6996/9/4/045009. PMC 5099651. PMID  27878037 . 
  34. ^ Нильсон, Дарвин, Долан. Проектирование бетонных конструкций . MacGraw-Hill Education, 2003. С. 80-90.
  35. ^ "Techno Press". 2 апреля 2015 г. Архивировано из оригинала 2 апреля 2015 г.
  36. ^ Садеги, Кабир (15 сентября 2011 г.). «Индекс структурных повреждений на основе энергии, основанный на нелинейном численном моделировании конструкций, подверженных ориентированной боковой циклической нагрузке». Международный журнал гражданского строительства . 9 (3): 155–164. ISSN  1735-0522 . Получено 23 декабря 2016 г.
  37. ^ Конструкционные материалы. Джордж Вайдман, П. Р. Льюис, Ник Рид, Открытый университет. Кафедра материалов. Милтон-Кинс, Великобритания: Кафедра материалов, Открытый университет. 1990. С. 372–373. ISBN 0-408-04658-9. OCLC  20693897.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  38. ^ Janowski, A.; Nagrodzka-Godycka, K.; Szulwic, J.; Ziółkowski, P. (2016). «Методы дистанционного зондирования и фотограмметрии в диагностике бетонных конструкций». Computers and Concrete . 18 (3): 405–420. doi :10.12989/cac.2016.18.3.405. Архивировано из оригинала 9 июля 2021 г. Получено 14 декабря 2016 г.
  39. ^ "Concrete Cancer". h2g2 . BBC. 15 марта 2012 г. [2005]. Архивировано из оригинала 23 февраля 2009 г. Получено 14 октября 2009 г.
  40. ^ "Специальный раздел: Юго-Западный щелочной инцидент". цементная промышленность . Британская цементная ассоциация. 4 января 2006 г. Архивировано из оригинала 29 октября 2006 г. Получено 26 ноября 2006 г.
  41. ^ "High Alumina Cement". Архивировано из оригинала 11 сентября 2005 г. Получено 14 октября 2009 г.
  42. ^ Фибробетон в строительстве, Wietek B., Springer 2021, стр. 268; ISBN 978-3-658-34480-1
  43. ^ BS EN 1169:1999 Изделия сборные железобетонные. Общие правила заводского контроля производства стекловолокнистого армированного цемента. Британский институт стандартов. 15 ноября 1999 г. ISBN 0-580-32052-9. Архивировано из оригинала 12 июня 2018 г. . Получено 29 мая 2018 г. .
  44. ^ BS EN 1170-5:1998 Изделия сборные из бетона. Метод испытания для цемента, армированного стекловолокном. Британский институт стандартов. 15 марта 1998 г. ISBN 0-580-29202-9. Архивировано из оригинала 12 июня 2018 г. . Получено 29 мая 2018 г. .
  45. ^ ab Arthur W. Darby (2003). "Глава 57: Туннель Airside Road, аэропорт Хитроу, Англия" (PDF) . Труды конференции Rapid Excavation & Tunneling Conference, Новый Орлеан, июнь 2003 г. стр. 645. Архивировано из оригинала (PDF) 22 мая 2006 г. – через www.tunnels.mottmac.com.

Дальнейшее чтение / Внешние ссылки